ĐIỀU KHIỂN BẬT TẮT THIẾT BỊ ĐIỆN TỰ ĐỘNG

LỜI MỞ ĐẦUNgày nay,việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến:từnhững ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giao thông đồng thời đếm sảnphẩm trong một day ch

THÔNG CƠ SỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2

Đề tài : Mạch điều khiển tắt mở thiết bị điện tự động

Giáo viên hướng dẫn : Th.s Phạm Xuân Minh

Nhóm sinh viên thực hiện : Nhóm 6

Lớp : D14CQDT01-N

PTIT

Ho chi minh

TP.HCM KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2



NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Nhóm 6

MẠCH ĐIỀU KHIỂN TẮT MỞ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

TỰ ĐỘNG

I – NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:

1-Tìm hiểu về nguyên tắc thu phát hồng ngoại

+ Khái niệm+ Nguyên tắc hoạt động2-Giới thiệu các linh kiện dùng trong mạch

+ PIC 12F629 + đế 8 chân x 1+ Bộ thu phát hồng ngoại x 1+ Diode cầu tròn x 1

+ Diode 4007 x 1+ Domino 2 chân x 2, + Domino 3 chân x 1+ Rơ-le 5V x 1

+ Tụ điện x 2+ IC 7805 x 1+ Tụ điện 103 630V x 1+ Tụ điện 103 2kV x 1+ Điện trở 1.2K x 4+ Biến áp gắn trên bo mạch 12V x 1+ Led x 2

+ Các transitor ( H1061 x 1, C1815 x 1 )3-Tính toán thiết kế:

+ Khối nguồn

+ Module cảm biến (Mạch phát hồng ngoại,Mạch thu hồng ngoại )+ Khối xử lí

+ Khối chấp hành ( Rơ-le 5V )

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay,việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến:từnhững ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giao thông đồng thời đếm sảnphẩm trong một day chuyền sản xuất ,điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều ….đếncác ứng dụng phức tạp như hệ thống điều khiển robot Các hệ thống tự động trước đây

sử dụng nhiều công nghệ khác nhau như các hệ thống tự động bằng các nguyên lí phứctạp các thiết bị hệ thống này có chúc năng xử lý và mức độ thự động thấp so với các

hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền tảng của các hệ thống nhúng

Với mong muốn giới thiệu ứng dụng cơ bản hệ thống nhúng trong đời sống hiệnđại, nhóm chúng em đưa ra mô hình thiết kế hệ thống điều khiển đèn thông minh dùngtrong các nhà vệ sinh công cộng,gia đình

Trong quá trình thực hiện đồ án môn học nhóm chúng em cố gắng thiết kế saocho mô hình là đơn giản nhất ,ổn định nhất,tuy nhiên do vấn đề thời gian và kinhnghiệm nên mô hình vẫn còn gặp phải những vấn đề chưa thể khắc phục được

Trân trọng và cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài:

Lê Quang Duy Phan Huy Cường Nguyễn Văn Khánh Anh

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

và không có nhu cầu sử dụng nữa nhưng vì phải quản lý nhiều phòng nên họ vẫn cứ đểđiện đến hết ca trực,điều này gây lãng phí điện rất lớn ,đặc biệt trong hoàn cảnh nước

ta đang thiếu điện một cách trầm trọng như hiện nay

Trên thị trường hiện nay đã có một số thiết bị bật tắt đèn thông minh nhưSmartLight do Hàn Quốc sản xuất: Được tích hợp sensor cảm ứng hồng ngoại thânnhiệt,đèn tự động bật khi có người vào vùng cảm ứng và tắt khi không có người.SmartLight phù hợp với mọi nhu cầu chiếu sáng thông minh của bạn tại sân

cổng,phòng khách,phòng ngủ,phòng vệ sinh,cầu thang,văn phòng…giúp bạn bật tắtđèn hoàn toàn tự động,mang lại sự an toàn,tiện nghi và tiết kiệm.Tuy nhiên thiết bị nàytích hợp luôn bộ điều khiền với đèn trong một sản phẩm Do đó giá thành cao và khôngthích hợp với nhu cầu sử dụng của từng mục đích cá nhân không thay đổi được loạibóng đèn theo yêu cầu.

Còn hệ thống giám sát điều khiển chiếu sáng sử dụng camera kết nối với máy tính đẻkiểm soát số người trong phòng ,qua đó phát lệnh đóng mở các công tắc tơ bật tắt bóngđèn

Hình 1 1: Hệ thống camera giám sát

Hệ thống này giúp việc bật tắt đèn ở nới lắp đặt một cách chính xác , tự động hoặcbán tự động.Tuy nhiên do sử dụng máy tính nên giá thành của hệ thống này rất cao,mặt khác không giải quyết được vấn đề tiết kiệm điện Vì thế nó chỉ được dử dụng ở

những tòa nhà công nghệ cao, những khu vực cần điều chỉnh chiếu sáng không phải vìmục đích tiết kiệm năng lượng.

Hệ thống bật tắt đèn tự động sử dụng các IC số và mạch Logic cho phép ta dựavào sự chuyển động người vào ra để đóng ngắt các công tắc một cách tự động.Hệthống này có cấu tạo đơn giản, rẻ, không phải lập trình mà chỉ dựa vào các mạchLogic,… Nhưng tính linh động cao, khó chỉnh định khi điều kiện làm việc thay đổi, ít

có khả năng nâng cấp mở rộng hệ thống

Với những nơi công cộng ,khi mà lượng người không lớn và có thể kiểm soátđược thì ta hoàn toàn có thể áp dụng hệ thống đèn thông minh sử dụng vi điều khiểnđược lập trình để bật tắt đèn khi có người ra vào Điều này vừa tiện lợi cho mọi người:

ứng dụng công nghệ tự động hóa vào cuộc sống con người, đảm bảo đủ ánh sáng trongquá trình làm việc, người quản lí đỡ tốn thời gian…đồng thời góp phần giải quyết vấn

đề điện năng trong chu kì hoạt động mà nhu cầu điện đã vượt qua quá khả năng cungcấp các các nhà máy điện hiện nay

1.2/Lựa chọn giải pháp:

1.2.1/Giải pháp công nghệ:

Qua phân tích ở trên,nhóm chúng em đưa ra giải pháp xây dựng hệ thống điềukhiểu đèn thông minh trong các WC gia đình:điều khiển bật tắt đèn qua việc kiểm soátngười ra vào phòng vệ sinh.Thu nhận tín hiệu rồi xử lí tín hiệu,khi có người vào phòngđèn sẽ bật và người ra khỏi phòng thì sẽ tắt

• Điều khiển tắt /mở bóng đèn nhờ trainistor cấp dòng cho rơ le

• Có người đi vào thì bật đèn và đi ra thì tắt đèn

• Làm việc với điện áp 220V/50Hz.

• Sensor và công nghệ tùy chọn

• Có khả năng nâng cấp,bảo trì,cải tiến

1.2.3/ Giới hạn hoạt động:

• Làm việc cả ban ngày lẫn ban đêm

• Thu nhận tín hiệu liên tục khi có người ra vào

• Nhiệt độ môi trường:100C đến 400C

• Hệ thống cấp điện mới từ đầu

KHỐI

NGUỒN

ĐÈN SÁNG

KHỐI CHẤP HÀNH KHỐI XỬ

LÝ

• Module cảm biến:sử dụng sensor hồng ngoại dùng để thu nhận tín hiệu ngườivào ra phòng ,đưa tín hiệu thu được vào chân PIC để xử lý.Để nhận biết người đivào hay đi ra ta dùng 1 bộ thu phát hồng ngoại mắc gần cửa ra vào.

• Khối xử lý:dùng vi điều khiền PIC 12F629 để lấy tín hiệu từ cảm biến,tínhtoán,lưu trữ và đưa ra khối chấp hành

Khối chấp hành:Nhận tín hiệu từ khối xử lý để thực hiện đóng ngắt tiếp điểm mạch động lực.Do phần đèn hoạt động công suất nên dòng lớn và phải cách ly với mạch tạo xung điều khiển Trong đề tài này dùng Rơ-le 5V,đèn điện được nối với nguồn 220V xoay chiều qua tiếp điểm của Rơ-le,khi Rơ-le tác động thì đèn sáng và ngược lại đèn tắt khi Rơ-le thôi tác động

2.2/Các chức năng của từng khối (hoặc module) trong hệ thống:

2.2.1/ Khối nguồn:

Khối nguồn này tạo ra điện áp một chiều từ nguồn xoay chiều 220V để cung cấpcho các linh kiện trong hệ thống.Sử dụng biến áp để biến điện áp xoay chiều 220Vthành

điện áp xoay chiều 12v, dùng chỉnh lưu từ 12V xoay chiều sang 12V một chiều, dùng

IC 7805 ổn áp để lấy ra điện áp ổn định 5V ở ngõ ra

Hình 2 2: Khối nguồn áp

2.2.2/Module cảm biến:

Bộ phận cảm biến của hệ thống sự dụng mạch thu phát hồng ngoại Led phát hồngngoại nối với nguồn một chiều qua điện trở R1, R2: phát ra ánh sáng hồng ngoại truyền

tới Led thu Module hồng ngoại có 3 chân: chân 3 (Chân nối cực âm) và 1 (Chân nối

cục dương ) nối với nguồn qua R3, R4 và đất, chân 2 (Chân tín hiệu) lấy tín hiệu đưa

vào chân Vi xử lí Ở trạng thái bình thường , tín hiệu hồng ngoại truyền tới khối phátđược Led thu nhận ở đầu ra 2 tín hiệu ở mức cao (mức 1);khi có người đi cắt qua kiếnLed thu mất tín hiệu, đầu ra 2 cho tín hiệu ở mức thấp (mức 0).Để có thể phân biệtđược là người đi vào hay đi ra ta mắc Led thu và Led phát song song cạnh nhau.Tínhiệu thu được từ đầu ra của 2 Led thu được đưa vào chân 2 rồi truyền tới Vi xử lí đểthực hiện quá trình tính toán, kiểm tra, lưu trữ…

Module phát Module thu

Hình 2 3: Module cảm biến

2.2.3/ Khối xử lý:

Khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển PIC 12F629.Khi có tín hiệu ngắt từ

bộ thu hồng ngoại qua chân GP2 thì vi điều khiển sẽ thực hiện tính toán đã nạp choPIC sau đó thực hiện chương trình điều khiển đưa tín hiệu tới khối chấp hành qua chânGP0

Hình 2 4 : Sơ đồ chân PIC 12F629

2.2.4/Khối chấp hành:

Bộ phận chấp hành có Rơ-le nối với các thiết bị điện.Vi xử lí sau khi xử lí tín hiệu

sẽ gửi lệnh điều khiển để đóng mở Transistor cấp nguồn cho cuộn dây của Rơ-le.Đènđiện được nối với nguồn 220v xoay chiều qua tiếp điểm của Rơ-le, khi Rơ-le tác độngthì đèn bật sáng và ngược lại đèn tắt khi Rơ-le thôi tác động.Để đảm bảo cho hệ thống

có thể làm vệc ở cả chế độ bằng tay và tự động ta dùng công tắc 3 vị trí: ở vị trí 1 làchế độ tự động, còn vị trí 2 và 3 tương ứng với bật/ tắc đèn

Hình 2 5: Khối chấp hành của hệ thống

2.3/ Lựa chọn linh kiện:

2.3.1/ Vi điều khiển PIC 12F629:

a) Sơ đồ chân PIC 12F629:

Hình 2 6: Sơ đồ chân PIC 12F629

b) Một vài thông số vi điều khiển PIC 12F629:

Mô tả: PIC 12F629 thuộc họ PIC 12Fxxx là một trong các vi điều khiển PIC nhỏnhất có độ dài lệnh 13-bit, đó là một thiết bị nhỏ với 8 chân nhưng nó có thể kết nối vớicác thiết bị ngoại vi.Có khả năng giải quyết một chương trình 8K x 14.Không gian bộnhớ chỉ có 1K x 14 đầu tiên ( 0000h-03FFh).

- Độ rộng bus dữ liệu: 8 bit

- Giao diện kết nối: RS232, USB

- Timers: 1x8bit, 1x16bit

- Ngoại vi: POR, WDT

- Số chân I/O: 5

- Điện áp nguồn: 2V – 5.5 V

- Kiểu đóng vỏ: PDIP-8

Hình 2 7: PIC 12F629

c) Các đặc tính ngoại vi bao gồm các chức năng sau:

• Time 0: là bộ định timer/counter 8 bit có bộ chia trước

• Time 1: là bộ định time/counter 16 bit có bộ chia trước có thể đếm khi CPUđang trong chế độ ngủ với nguồn xung từ tụ thạch anh hoặc nguồn xung bênngoài

• Time 2: là bộ định time/counter 8 bit thanh ghi 8-bit chia trước và posrscaler.

• Hai khối Capture, compare,PWM

- Capture có độ rộng 16-bit, độ phân giải 12,5ns

- Compare có độ rộng 16-bit, độ phân giải 200ns

- Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10-bit

 Các đặc tính tương tự:

• Có 8 kênh chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ADC 16 bit

• Có reset BOR ( Brown-OurReset )

• Khối so sánh điện áp tương tự:

- Hai bộ so sánh tương tự

- Khối tạo điện áp chuẩn VREP tích hợp bên trong có thể lập trình

- Đa hợp ngõ vào lập trình từ ngõ vào của CPU với điện áp chuẩn bên trong

- Các ngõ ra của bộ so sánh có thể truy xuất từ bên ngoài

 Các đặc tính đặc biệt của vi điều khiển:

• Bộ nhớ chương trình Enhaneed Flash cho phép xoá và ghi 100000 lần

• Bộ nhớ dữ liệu EEPROM có thể lưu trữ dữ liệu hơn 40 năm và có thể tự lậptrình lại dưới sự điều khiển của phần mềm

• Mạch lập trình nối tiếp ICSP thông qua 2 chân ( In-Circuit SerialProgramming)

• Nguồn sử dụng là nguồn đơn 5V cấp cho mạch lập trình nối tiếp

• Có Watchdog Timer ( WDT ) với bộ dao động RC đucợ tích sẵn trên Chip

Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ cương trình, bộ đếm chương trình códung lượng là 13 bit

Khi PIC 12F629 được reset, bộ đếm chương trình sẽ đếm địa chỉ 0000h Khi có ngắtxảy ra bộ đếm chương trình sẽ chỉ đếm địa chỉ 0004h.

e) Bộ nhớ dữ liệu :

Bộ nhớ dữ liệu của PIC 12F629 là bộ nhớ EEFROM và được chia làm hai bank.Trong đó có các thanh ghi mục đích chung và thanh ghi chúc năng đạc biệt Các thanhghi chắc năng đặc biệt được tại 32 vị trí đầu tiên của bank Đăng khí địa chỉ 20h – 5Fhcủa thanh ghi mục đích chung thực hiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnhcủa chưng trình

Tất cả các RAM chưa thục hiện sẽ trả về “0” khi đọc RPO là bit bank lựa chọn:

- RPO = 0 bank 0 được chọn

- RPO = 1 bank 1 lựa chọn

f) Cổng I/O ( GPIO ):

Cổng xuất nhập ( I/O port ) chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để tươngtác với thế giới bên ngoài Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua quá trình tươngtác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng

Vi điều khiển PIC 12F629 có 6 chân xuất nhập với mục đích chung Tùy thuộc vàonhững thiết bị ngoại vi đucợ sử dụng mà một vài hoặc tất cả các chân được sẵn sàngcho mục đích xuất nhâp

Cổng I/O là cổng xuất nhập hai chiều với độ rộng 6 bit Các hướng dữ liệu tươngứng là thanh ghi TRISIO Thiết lập TRISIO = 1 sẽ tương ứng chân GPIO là một đầuvào ( tức là đưa đầu ra tương ứng ở một chế độ trở kháng cao ) Xóa 1 bit TRISIO = 0

sẽ làm chi GPIS tương ứng 1 đầu ra Trường hợp ngoại lệ GP3 là chỉ có đầu vào và bitTRISIO của nó sẽ luôn đọc là “1” Thanh ghi GPIO sẽ đọc trang thái của các chân,trong khi thanh ghi nó sẽ ghi vào các chốt PORT, nó sẽ ghi tất cả các hoạt động đọcchính sửa ghi Vì vậy ghi vào cổng nghĩa là các chân cổng đọc, giá trị này sẽ được đổi

và sau đó ghi vào các PORT dữ liệu, GP3 đọc “0” khi MCLREN = 1

TRISIO kiểm soát sự chỉ đạo của chân GP, ngay cả khi đnag đucợ sử dụng nhưđầu vào Người sử dụng phải đảm bảo các bit trong thanh ghi TRISIO được giữ, bảoquản thiết lập khi sử dụng chúng tương tự như đầu vào

g) Tính năng đặc biệt của CPU PIC 12F629:

- Tối đa hóa độ tin cậy của hệ thống

- Giảm thiểu chi phí thông qua việc loại bỏ thành phần bên ngoài.

- Cung cấp các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng và cung cấp mã bảo vệ

 Với 3 chức năng trên Chip, hầu hết các ứng dụng không cần thiết lập mạch bên ngoài.Các chế độ sleep cung cấp một dòng điện rất thấp cho các chế độ Power-down Người

ta có thể đánh thúc chế độ sleep bằng cách thiết lập bên ngoài , đánh thức watchdogtimer và một gián đoạn

2.3.2/ Module cảm biến tiệm cận hồng ngoại:

Cảm biến hồng ngoại E18-D08NK dùng hồng ngoại để xác định khoảng cách tớivật cản với tốc độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng hồng ngoại với tần số đặcbiệt Có thể chỉnh khoảng cách xác định vật cản theo mong muốn bằng biến trở Ngõ racảm biến ở dạng cục thu hở nên cần thêm 1 con điện trở treo lên nguồn ở chân tín hiệukhi sử dụng

- Có đèn báo tích hợp sẵn báo khi có vật cản

- Điều chỉnh được khoảng cách phát hiện vật cản bằng biến trở

 Sơ đồ chân:

nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter)viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt thành C, vùng bán dẫn E và C

có cùng loại án dẫn ( loại N hoặc P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khácnhau nên không hoán vị cho nhau được

Hình 2 12: Tụ điện

2.3.5/ Rơ-le:

Rơ-le là một công tắ điều khiển từ xa đơn giản, nó dùng một dòng nhỏ để điềukhiển một dòng lớn vid vậy nó được dùng để bảo vệ công tắc nên cũng được xem làmột thiết bị bảo vệ Một rơ-le điển hình điều khiển mạch và cả diều khiển nguồn Kếtcấu gồm có một lõi sắt, một cuộn từ và một tiếp điểm.

Hình 2 13: Rơ-le 5V

2.3.6/ IC ổn áp 7805:

IC 7805 là một mạch tích hợp bộ điều chỉnh điện áp Đây là một dòng IC của họ78xx điều chỉnh điện áp tuyến tính cố định Nguồn điện áp trong mạch có thể có biếnđộng và sẽ không cho lượng điện áp ổn định Các vi mạch điều chỉnh điện áp duy trìđiện áp đầu ra tại một giá trị không đổi Các xx trong 78xx cho biết lượng điện áp cốđịnh nó được thiết kế để cung cấp: 7805 cung cấp nguồn +5V

Hình 2 14: IC ổn áp 7805

- Mạch in vẽ bằng Altium 16 và chế tạo mạch in bằng phương pháp thủ công.

Kiểm tra điều kiện Input = 0

Hình 3 3 : Mạch 3D

3.4.2/ Thiết kế mạch in:

Hình 3 4 : Mạch in gắn linh kiện

3.5/ Thiết kế phần mềm:

3.5.1/ Mô tả phần mềm nạp chương trình cho vi điều khiển PIC 12F629:

PIC C compiler là ngôn ngữ lập trình cấp cao cho PIC được viết trên nền C.chương trình viết trên PIC C tuân thủ theo cấu trúc của ngôn ngữ lập trình C Trìnhbiên dịch của PIC C compiler sẽ chuyển chương trình theo chuẩn của C thành dạngchương trình theo mã Hexa (file.hex) để nạp vào bộ nhớ của PIC PIC C compiler gồm

có 3 phần riêng biệt là PCB, PCM và PCH PCB dùng cho họ MCU với bộ lệnh 12 bit,PCM dùng cho họ MCU với bộ lệnh 14 bit và PCH dùng cho họ MCU với bộ lệnh 16

và 18 bit Mỗi phần khác nhau trong PIC C compiler chỉ dùng được cho họ MCUtương ứng mà không cho phép dùng chung (Ví dụ không thể dùng PCM hoặc PCH cho

họ MCU 12 bit được mà chỉ có thể dùng PCB cho MCU 12 bit).

a)

Sử dụng PIC C compiler :

Sau khi cài đặt xong PIC C compiler, trên Desktop của window sẽ xuất hiện biểutượng của PIC C compiler Double Click vào biểu tượng của PIC C compiler để chạychương trình khi đó cửa sổ chương trình của PIC C compiler sẽ xuất hiện như sau:

Hình 3 5: Giao diện PIC C Compiler

Trong cửa sổ chương trình cửa PIC C compiler gồm có các cửa sổmenu: File, Project, Edit, Options, Compile, View, Tools và Help Chi